CN114824005B - 一种GaN基发光二极管的外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种GaN基发光二极管的外延结构及其制备方法，外延结构包括：包括衬底及在衬底上依次外延生长的低温缓冲层、未掺杂的U型GaN层、掺杂Si的N型GaN层、多量子阱有源层、电子阻挡层和掺杂Mg的P型GaN层；多量子阱有源层包括第一多量子阱有源层、多量子阱间***层和第二多量子阱有源层，多量子阱间***层包括第一***子层、第二***子层和第三***子层。本发明的第二***子层能够为距离掺杂Mg的P型GaN层较远的多量子阱有源层部分提供更多的空穴，第一***子层和第三***子层用来匹配第二***子层与多量子阱有源层的晶格。
Description
技术领域
本发明涉及芯片技术领域，特别涉及一种GaN基发光二极管的外延结构及其制备方法。
背景技术
GaN基发光二极管光由于具有高的发光效率、长的使用寿命、低的电耗等优点，常用于高清显示、可视通讯、汽车前灯、普通照明等领域，近年来也受到越来越多的关注。
在GaN基发光二极管中，由P型层提供空穴，N型层提供电子，当发光二极管两端外加电场时，N型层中多余的电子向P型层方向迁移，P型层中多余的空穴向N型层方向迁移，两端迁移的电子与空穴在多量子阱有源层中会合，即在多量子阱内发生电子-空穴辐射复合，从而实现发光二极管发光。但是由于通常情况下，P型层的空穴移动速度慢，N型层的电子移动速度快，从而导致多量子阱中的主要发光区集中在靠近P型层的几个阱中，而靠近N型层、远离P型层的几个阱发光效率较低。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种GaN基发光二极管的外延结构及其制备方法，旨在解决背景技术中记载的技术问题。
本发明的一方面提供了一种GaN基发光二极管的外延结构，包括衬底，还包括在所述衬底上依次外延生长的低温缓冲层、未掺杂的U型GaN层、掺杂Si的N型GaN层、多量子阱有源层、电子阻挡层和掺杂Mg的P型GaN层；
其中，所述多量子阱有源层包括在所述掺杂Si的N型GaN层上依次向上层叠生长的第一多量子阱有源层、多量子阱间***层和第二多量子阱有源层，所述多量子阱间***层包括在所述第一多量子阱有源层上依次向上层叠生长的第一***子层、第二***子层和第三***子层，所述第一***子层为BxInyGa1-x-yN层，所述第二***子层为P型GaN层，所述第三***子层为BxInyGa1-x-yN层，其中，0<x<1，0<y<1。
根据上述技术方案的一方面，BxInyGa1-x-yN层中，0.05≤x≤0.15，0.1≤y≤0.2。
根据上述技术方案的一方面，生长所述第一***子层时，生长温度从第一温度逐渐上升至第二温度，生长所述第二***子层时，生长温度保持在第二温度不变，生长所述第三***子层时，生长温度从第二温度逐渐降低至第一温度，其中，第一温度为750～800℃，第二温度为900~950℃。
根据上述技术方案的一方面，生长所述第一***子层时，H2的通入量从第一流量逐渐提高至第二流量，生长所述第二***子层时，H2的通入量保持在第二流量不变，生长所述第三***子层时，H2的通入量从第二流量逐渐降低至第一流量。
根据上述技术方案的一方面，所述第二***子层的厚度为3~6nm，掺杂有掺杂剂Mg，且掺杂剂Mg的组分为0.05~0.1，所述第一***子层和所述第三***子层的厚度为1~3nm，所述多量子阱间***层的整个厚度为5~12nm。
根据上述技术方案的一方面，所述第一多量子阱有源层包括第一预设数量的阱垒结构，所述第一预设数量为2~5个，每个所述阱垒结构均包括量子阱层及生长在所述量子阱层上方的量子垒层，所述量子阱层为InGaN层，所述量子垒层为GaN层，其中，第一多量子阱有源层中In组分所占摩尔比例为10％~35％，所述量子阱层的厚度为2-5nm，生长温度为720～800℃，所述量子垒层的厚度为3-15nm，生长温度为830～950℃。
根据上述技术方案的一方面，所述第二多量子阱有源层包括第二预设数量的阱垒结构，所述第二预设数量为2~5个，每个所述阱垒结构均包括量子阱层及生长在所述量子阱层上方的量子垒层，所述量子阱层为InGaN层，所述量子垒层为GaN层，其中，第二多量子阱有源层中In组分所占摩尔比例为10％~35％，所述量子阱层的厚度为2-5nm，生长温度为720～800℃，所述量子垒层的厚度为3-15nm，生长温度为830～950℃。
本发明的另一方面在于提供一种GaN基发光二极管的外延结构的制备方法，用于制备上述技术方案中所述的GaN基发光二极管的外延结构，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长一低温缓冲层；
在所述低温缓冲层上生长一未掺杂的U型GaN层；
在所述未掺杂的U型GaN层上生长一掺杂Si的N型GaN层；
在所述掺杂Si的N型GaN层上生长一多量子阱有源层；
在所述多量子阱有源层上生长一电子阻挡层；
以及在所述电子阻挡层上生长一掺杂Mg的P型GaN层；
其中，在所述掺杂Si的N型GaN层上生长一多量子阱有源层的步骤包括：
在所述掺杂Si的N型GaN层上依次向上层叠生长第一多量子阱有源层、第一***子层、第二***子层、第三***子层和第二多量子阱有源层，所述第一***子层为BxInyGa1-x- yN层，所述第二***子层为P型GaN层，所述第三***子层为BxInyGa1-x-yN层。
根据上述技术方案的一方面，在所述掺杂Si的N型GaN层上依次向上层叠生长第一多量子阱有源层、第一***子层、第二***子层、第三***子层和第二多量子阱有源层的步骤中：
在生长所述第一***子层时，控制反应室的温度由第一温度逐渐上升至第二温度，其中，第一温度为750～800℃，第二温度为900~950℃；
在生长所述第二***子层时，控制反应室的温度在第二温度不变；
在生长所述第三***子层时，控制反应室的温度由第二温度逐渐下降至第一温度。
根据上述技术方案的一方面，在所述掺杂Si的N型GaN层上依次向上层叠生长第一多量子阱有源层、第一***子层、第二***子层、第三***子层和第二多量子阱有源层的步骤中：
在生长所述第一***子层时，控制反应室H2的通入量由第一流量逐渐提高至第二流量；
在生长所述第二***子层时，控制反应室H2的通入量在第二流量不变；
在生长所述第三***子层时，控制反应室H2的通入量由第二流量逐渐降低至第一流量。
与现有技术相比，采用本实施例当中所述的GaN基发光二极管的外延结构及其制备方法，有益效果在于：本发明在多量子阱有源层中增设的多量子阱间***层，包括第一***子层、第二***子层和第三***子层，由于第二***子层为P型GaN层，该层能够为距离掺杂Mg的P型GaN层较远的多量子阱有源层部分（即第一多量子阱有源层及靠近多量子阱间***层的第二多量子阱有源层部分）提供更多的空穴，以提升第一多量子阱有源层中的空穴浓度，进而提升电子空穴对的复合效率，使二极管的发光效率得到很大提升；
且本发明多量子阱间***层的第一***子层和第三***子层523均为BxInyGa1-x- yN层，BxInyGa1-x-yN层中的In组分可以增加多量子阱间***层与第一多量子阱有源层和第二多量子阱有源层的晶格匹配，这样能够减少多量子阱内应力的产生及缺陷的产生，从而减少了非辐射复合，进一步提升了发光二极管的发光效率；且第一***子层及第三***子层中有B原子，较小的B原子很容易填充InGaN材料中的缺陷和位错的位置，从而形成稳定的晶胞结构并减少晶体缺陷，从而更进一步提升发光二极管的发光效率。
附图说明
图1为本发明第一实施例当中GaN基发光二极管的外延结构的结构示意图；
图2为本发明第一实施例当中多量子阱有源层的结构示意图；
图3为本发明第七实施例当中GaN基发光二极管的外延结构的制备方法的流程示意图；
附图标记说明：
衬底10、低温缓冲层20、未掺杂的U型GaN层30、掺杂Si的N型GaN层40、多量子阱有源层50、第一多量子阱有源层51、多量子阱间***层52、第一***子层521、第二***子层522、第三***子层523、第二多量子阱有源层53、电子阻挡层60、掺杂Mg的P型GaN层70；
以下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
实施例一
请结合图1-图2，本发明的第一实施例提供了一种GaN基发光二极管的外延结构，该芯片依次包括：包括衬底及在所述衬底上依次外延生长的低温缓冲层、未掺杂的U型GaN层、掺杂Si的N型GaN层、多量子阱有源层、电子阻挡层和掺杂Mg的P型GaN层。
其中，衬底10为外延层生长的基板，常用的衬底10为蓝宝石衬底、SiO2蓝宝石复合衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底及氧化锌衬底，在本实施例中，衬底10材料为蓝宝石，蓝宝石具有透光性能好、耐高温、抗腐蚀、制备工艺成熟及价格较低等优点，被广泛应用于多量子阱基发光二极管中。
衬底10上生长有低温缓冲层20，其中，低温缓冲层20可以是AlGaN层，低温缓冲层20用于缓解衬底10与后续生长的外延层之间的晶格失配及热失配，减少晶体缺陷，改善后续外延层的晶体质量。具体地，低温缓冲层20的厚度为30-100nm，生长温度为500℃～700℃，生长压力为200～400Torr。
低温缓冲层20上生长有未掺杂的U型GaN层30，未掺杂的U型GaN层30的厚度约为300-800nm，生长温度为1100℃～1150℃，生长压力为100～500torr。
未掺杂的U型GaN层30上生长有掺杂Si的N型GaN层40，掺杂Si的N型GaN层40提供电子给多量子阱有源层50，以使电子与空穴在多量子阱有源层50辐射复合，以达到发光二极管的发光效应，掺杂Si的N型GaN层40通过掺杂剂Si的掺杂，能降低电流集聚效应，提高发光二极管的光电效率。具体地，掺杂Si的N型GaN层40的厚度为1-4μm，生长温度为1100℃～1150℃，生长压力为100-500Torr。
掺杂Si的N型GaN层40上生长有多量子阱有源层50，多量子阱有源层50上生长有电子阻挡层60，电子阻挡层60用于限制电子溢流，由于电子迁移的速率比空穴的迁移速率快，电子阻挡层60能有效的阻止掺杂Si的N型GaN层40的电子溢流至掺杂Mg的P型GaN层70，防止电子在掺杂Mg的P型GaN层70与空穴发生非辐射复合，降低多量子阱基发光二极管的发光效率，该电子阻挡层60为AlaGa1-aN和InbGa1-bN交替生长的周期性结构。具体地，该电子阻挡层60的厚度为20-50nm，生长温度为900～1000℃，生长压力为100～300Torr，Al的组分a为0.05-0.2，In的组分b为0.1-0.5。
电子阻挡层60上生长有掺杂Mg的P型GaN层70，掺杂Mg的P型GaN层70为多量子阱有源层50提供空穴，以使电子与空穴在多量子阱有源层50进行辐射复合，以达到发光二极管的发光效应。具体地，掺杂Mg的P型GaN层70的厚度为200-300nm，生长温度为800～1000℃，生长压力为100～300Torr，掺杂剂Mg的掺杂浓度为5×1017-1× 1020cm-3。
多量子阱有源层50包括在掺杂Si的N型GaN层40上依次向上层叠生长的第一多量子阱有源层51、多量子阱间***层52和第二多量子阱有源层53，即在传统的多量子阱有源层中***一多量子阱间***层。第一多量子阱有源层51和第二多量子阱有源层53均包括2~5个阱垒结构，量子阱层为InGaN层，量子垒层为GaN层。具体地，多量子阱有源层50的生长压力控制在100～500Torr，每个阱垒结构均包括量子阱层及生长在量子阱层上方的量子垒层，量子阱层的厚度为2-5nm，反应室温度控制在720～800℃，量子垒层的厚度为3-15nm，反应室温度控制在830～950℃，第一多量子阱有源层51中In组分所占摩尔比例为10％~35％，第二多量子阱有源层53中In组分所占摩尔比例为10％-35％。
多量子阱间***层52包括在第一多量子阱有源层51上依次向上层叠生长的第一***子层521、第二***子层522和第三***子层523，第一***子层521为BxInyGa1-x-yN层，第二***子层522为P型GaN层，第三***子层523为BxInyGa1-x-yN层。具体地，第二***子层522用于提供空穴，其厚度约为3~6nm，掺杂剂为Mg，Mg组分为0.05~0.1；第一***子层521和第三***子层523的厚度约为1~3nm，B组分x的取值范围为0.05~0.15，In组分y的取值范围为0.1~0.2，整个多量子阱间***层52很薄，厚度约为5~12nm，这样薄的厚度不会影响发光效率。
为了给距离掺杂Mg的P型GaN层70较远的第一多量子阱有源层51补充较多的空穴，在第一多量子阱有源层51和第二多量子阱有源层53之间设置第二***子层522，由于第二***子层522为P型GaN层，因此，该层可以为第一多量子阱有源层51提供部分空穴，以增加第一多量子阱有源层51中的空穴浓度，提升电子空穴对的复合效率，进而提升发光效率；且该层的掺杂剂Mg也会对多量子阱有源层50中多余的电子产生一定的消耗，能够在一定程度上减轻多量子阱有源层50中多余的电子泄露至掺杂Mg的P型GaN层70中，消耗掺杂Mg的P型GaN层70中空穴的情况，进一步提升发光二极管的发光效率，也相应地减轻了电子阻挡层60的阻挡压力，可以适度减薄电子阻挡层60的厚度，降低对其吸光性能的要求；另外，由于该层保持较高的生长温度及较高的H2流量，能够促进该层的晶格质量生长的足够好，对量子阱中累积的一些缺陷会产生一定的愈合和阻断作用，减少非辐射复合的产生，且好的晶格质量也有利于提升空穴浓度，进一步提升发光二极管的发光效率。
为了配第二***子层522与第一多量子阱有源层51和第二多量子阱有源层53之间的晶格，在第二***子层522的上下两侧分别设置第一***子层521和第三***子层523，由于第一***子层521和第三***子层523均为BxInyGa1-x-yN层，BxInyGa1-x-yN层中的In组分可以增加多量子阱间***层52与第一多量子阱有源层51和第二多量子阱有源层53的晶格匹配，这样能够减少多量子阱内应力的产生，及缺陷的产生，从而减少非辐射复合，进一步提升发光二极管的发光效率；且由于In是Mg的活化剂，一定的In组分也可以降低第二***子层中Mg的活化能，增加空穴的浓度；第一***子层及第三***子层中有B原子，B原子较小，很容易填充InGaN材料中的缺陷和位错的位置，从而形成稳定的晶胞结构并减少晶体缺陷，从而进一步提升发光二极管的发光效率。
为了更好的匹配与第一多量子阱有源层51和第二多量子阱有源层53之间的晶格，及保证第二***子层522中的空穴浓度，生长第一***子层521时，生长温度从第一温度逐渐上升至第二温度，生长第二***子层522时，生长温度保持在第二温度不变，生长第三***子层523时，生长温度从第二温度逐渐降低至第一温度，其中，第一温度为750～800℃，第二温度为900~950℃。
由于低温有利于In的并入，高温有利于晶体的二维生长，因此，生长第一***子层521和第三***子层523时，越靠近量子阱的区域生长温度越低，In的并入量越高，使得多量子阱间***层52与第一多量子阱有源层51和第二多量子阱有源层53之间的晶格匹配的更好，而越靠近第二***子层522的区域生长温度越高，更有利于第二***子层522的二维生长，保证第二***子层522的晶格质量，好的晶格质量能增加第二***子层522提供的空穴浓度。
为了进一步更好的匹配与第一多量子阱有源层51和第二多量子阱有源层53之间的晶格，及进一步保证第二***子层522中的空穴浓度，生长第一***子层521时，H2的通入量从第一流量逐渐提高至第二流量，生长第二***子层522时，H2的通入量保持在第二流量不变，生长第三***子层523时，H2的通入量从第二流量逐渐降低至第一流量，其中，第一流量为4~6slm，第二流量为18~22slm。
由于H2有利于晶体的二维生长，但不利于In组分的并入，因此，生长第一***子层521和第三***子层523时，越靠近第二***子层522的生长部位通入的H2的流量越高，越有利于第二***子层522的二维生长，能够保证第二***子层522的晶格质量，好的晶格质量能增加第二***子层522提供的空穴浓度，进而提高发光二极管的发光效率，而越靠近量子阱的生长部位通入的H2的流量越低，更有利于In的并入量，提高In组分，使得多量子阱间***层52与第一多量子阱有源层51和第二多量子阱有源层53之间的晶格匹配的更好。
本实施例的优选方案中，第一***子层521的生长温度从780℃逐渐递增至920℃，通入H2的流量从5slm逐渐提升至20slm，第二***子层522的生长温度保持920℃不变，通入H2的流量保持20slm不变，第三***子层523的生长温度从920℃逐渐递减至780℃，通入H2的流量从20slm逐渐降低至5slm。
综上，本发明在多量子阱有源层中增设的多量子阱间***层，包括第一***子层521、第二***子层522和第三***子层523，由于第二***子层522为P型GaN层，该层能够为距离掺杂Mg的P型GaN层70较远的多量子阱有源层部分（即第一多量子阱有源层51及靠近多量子阱间***层52的第二多量子阱有源层53部分）提供更多的空穴，以提升第一多量子阱有源层51中的空穴浓度，进而提升电子空穴对的复合效率，使二极管的发光效率得到很大提升；
且本发明多量子阱间***层的第一***子层521和第三***子层523均为BxInyGa1-x-yN层，BxInyGa1-x-yN层中的In组分可以增加多量子阱间***层52与第一多量子阱有源层51和第二多量子阱有源层53的晶格匹配，这样能够减少多量子阱内应力的产生及缺陷的产生，从而减少了非辐射复合，进一步提升了发光二极管的发光效率；且第一***子层521及第三***子层523中有B原子，较小的B原子很容易填充InGaN材料中的缺陷和位错的位置，从而形成稳定的晶胞结构并减少晶体缺陷，从而更进一步提升发光二极管的发光效率。
实施例二
本发明第二实施例提供的一种GaN基发光二极管的外延结构，本实施例中的GaN基发光二极管的外延结构与第一实施例中的GaN基发光二极管的外延结构的不同之处在于：
第一***子层521和第三***子层523的生长温度保持850℃不变，其它条件相同：多量子阱有源层50包括第一多量子阱有源层51、多量子阱间***层52和第二多量子阱有源层53，多量子阱间***层52包括第一***子层521、第二***子层522和第三***子层523，所述第一***子层521为BxInyGa1-x-yN层，第二***子层522为P型GaN层，第三***子层523为BxInyGa1-x-yN层，其中，生长过程中，第一***子层521通入H2的流量从5slm逐渐提升至20slm，第二***子层522的生长温度保持920℃不变，通入H2的流量保持20slm不变，第三***子层523通入H2的流量从20slm逐渐降低至5slm。
实施例三
本发明第三实施例提供的一种GaN基发光二极管的外延结构，本实施例中的GaN基发光二极管的外延结构与第一实施例中的GaN基发光二极管的外延结构的不同之处在于：
第一***子层521和第三***子层523的生长温度保持780℃不变，其它条件相同：多量子阱有源层50包括第一多量子阱有源层51、多量子阱间***层52和第二多量子阱有源层53，多量子阱间***层52包括第一***子层521、第二***子层522和第三***子层523，所述第一***子层521为BxInyGa1-x-yN层，第二***子层522为P型GaN层，第三***子层523为BxInyGa1-x-yN层，其中，生长过程中，第一***子层521通入H2的流量从5slm逐渐提升至20slm，第二***子层522的生长温度保持920℃不变，通入H2的流量保持20slm不变，第三***子层523通入H2的流量从20slm逐渐降低至5slm。
实施例四
本发明第四实施例提供的一种GaN基发光二极管的外延结构，本实施例中的GaN基发光二极管的外延结构与第一实施例中的GaN基发光二极管的外延结构的不同之处在于：
第一***子层521和第三***子层523通入H2的流量保持5slm不变，其它条件相同：多量子阱有源层50包括第一多量子阱有源层51、多量子阱间***层52和第二多量子阱有源层53，多量子阱间***层52包括第一***子层521、第二***子层522和第三***子层523，所述第一***子层521为BxInyGa1-x-yN层，第二***子层522为P型GaN层，第三***子层523为BxInyGa1-x-yN层，其中，生长过程中，第一***子层521的生长温度从780℃逐渐递增至920℃，第二***子层522的生长温度保持920℃不变，通入H2的流量保持20slm不变，第三***子层523的生长温度从920℃逐渐递减至780℃。
实施例五
本发明第五实施例提供的一种GaN基发光二极管的外延结构，本实施例中的GaN基发光二极管的外延结构与第一实施例中的GaN基发光二极管的外延结构的不同之处在于：
第一***子层521和第三***子层523通入H2的流量保持10slm不变，其它条件相同：多量子阱有源层50包括第一多量子阱有源层51、多量子阱间***层52和第二多量子阱有源层53，多量子阱间***层52包括第一***子层521、第二***子层522和第三***子层523，所述第一***子层521为BxInyGa1-x-yN层，第二***子层522为P型GaN层，第三***子层523为BxInyGa1-x-yN层，其中，生长过程中，第一***子层521的生长温度从780℃逐渐递增至920℃，第二***子层522的生长温度保持920℃不变，通入H2的流量保持20slm不变，第三***子层523的生长温度从920℃逐渐递减至780℃。
实施例六
本发明第六实施例提供的一种GaN基发光二极管的外延结构，本实施例中的GaN基发光二极管的外延结构与第一实施例中的GaN基发光二极管的外延结构的不同之处在于：
多量子阱有源层50包括第一多量子阱有源层51、第二***子层522和第二多量子阱有源层53，其它条件相同：第二***子层522为P型GaN层，第二***子层522的生长温度保持920℃不变，通入H2的流量保持20slm不变。
对比例
本发明实施例提供的一种传统的GaN基发光二极管的外延结构，本实施例中的GaN基发光二极管的外延结构与第一实施例中的GaN基发光二极管的外延结构的不同之处在于：
多量子阱有源层50内没有设置多量子阱间***层52，多量子阱有源层50仅包括3~11个层叠的阱垒结构。
表1
结合实施例一至实施例六与对比例的数据进行对比可知，在多量子阱有源层50的中间设置多量子阱间***层52相对于没有设置多量子阱间***层52的传统的多量子阱有源层50结构，能够极大地提升发光二极管的发光亮度。
结合实施例一至实施例五与实施例六的数据进行对比可知，在第二***子层522的两侧分别设置第一***子层521及第三***子层523，能够提升发光二极管的发光亮度。
结合实施例一至实施例三的数据对比可知，对多量子阱间***层52的生长工艺做如下设置，能够提高发光二极管的发光亮度：在生长过程中，第一***子层521的生长温度逐渐提高，第三***子层523的生长温度逐渐减小，即第一***子层521与第一多量子阱有源层51距离越大生长温度越高，第三***子层523与第二多量子阱有源层53距离越大生长温度越高。
结合实施例一、实施例四及实施例五的数据对比可知，对多量子阱间***层52的生长工艺做如下设置，能够提高发光二极管的发光亮度：在生长过程中，第一***子层521通入H2的流量逐渐提升，第三***子层523通入H2的流量逐渐降低，即第一***子层521与第一多量子阱有源层51距离越大通入H2的流量越高，第三***子层523与第二多量子阱有源层53距离越大通入H2的流量越高。
实施例七
请参阅图3，本发明的第七实施例提供了一种GaN基发光二极管的外延结构的制备方法，用于制备上述第一实施例当中的GaN基发光二极管的外延结构，所述制备方法包括步骤S10-S70，其中：
步骤S10，提供一衬底。
其中，衬底为外延层生长的基板，常用的衬底为蓝宝石衬底、SiO2蓝宝石复合衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底及氧化锌衬底。
步骤S20，在所述衬底上生长一低温缓冲层。
其中，低温缓冲层可以是AlGaN层，低温缓冲层用于缓解衬底与后续生长的外延层之间的晶格失配及热失配，减少晶体缺陷，改善后续外延层的晶体质量。具体地，低温缓冲层的厚度为30-100nm，生长温度为500℃～700℃，生长压力为200～400Torr。
步骤S30，在所述低温缓冲层上生长一未掺杂的U型GaN层。
其中，未掺杂的U型GaN层的厚度约为300-800nm，生长温度为1100℃～1150℃，生长压力为100～500torr。
步骤S40，在所述未掺杂的U型GaN层上生长一掺杂Si的N型GaN层。
其中，掺杂Si的N型GaN层提供电子给多量子阱有源层，以使电子与空穴在多量子阱有源层辐射复合，以达到发光二极管的发光效应，掺杂Si的N型GaN层通过掺杂剂Si的掺杂，能降低电流集聚效应，提高发光二极管的光电效率。具体地，掺杂Si的N型GaN层的厚度为1-4μm，生长温度为1100℃～1150℃，生长压力为100-500Torr。
步骤S50，在所述掺杂Si的N型GaN层上生长一多量子阱有源层。
其中，在所述掺杂Si的N型GaN层上依次向上层叠生长第一多量子阱有源层、第一***子层、第二***子层、第三***子层和第二多量子阱有源层，所述第一***子层为BxInyGa1-x-yN层，所述第二***子层为P型GaN层，所述第三***子层为BxInyGa1-x-yN层，具体地，第二***子层的厚度约为3~6nm，掺杂剂为Mg，Mg组分为0.05~0.1；第一***子层和第三***子层的厚度约为1~3nm，B组分x的取值范围为0.05~0.15，In组分y的取值范围为0.1~0.2，整个多量子阱间***层很薄，厚度约为5~12nm，这样薄的厚度不会影响发光效率。
生长的第二***子层可以给距离掺杂Mg的P型GaN层较远的第一多量子阱有源层补充较多的空穴，以增加第一多量子阱有源层中的空穴浓度，提升电子空穴对的复合效率，进而提升发光效率。
生长的第一***子层和第三***子层能够很好的匹配第二***子层与第一多量子阱有源层和第二多量子阱有源层之间的晶格，由于第一***子层和第三***子层均为BxInyGa1-x-yN层，BxInyGa1-x-yN层中的In组分可以增加多量子阱间***层与第一多量子阱有源层和第二多量子阱有源层的晶格匹配，这样能够减少多量子阱内应力的产生，及缺陷的产生，从而减少非辐射复合，进一步提升发光二极管的发光效率。BxInyGa1-x-yN层中的B原子，能够填充InGaN材料中的缺陷和位错的位置，从而形成稳定的晶胞结构并减少晶体缺陷。
在生长所述第一***子层时，控制反应室的温度由第一温度逐渐上升至第二温度，其中，第一温度为750～800℃，第二温度为900~950℃；在生长所述第二***子层时，控制反应室的温度在第二温度不变；在生长所述第三***子层时，控制反应室的温度由第二温度逐渐下降至第一温度。由于低温有利于In的并入，高温有利于晶体的二维生长，这样生长出的第一***子层及第三***子层，越靠近多量子阱结构，In组分越高，与第一多量子阱有源层、第二多量子阱有源层的晶格匹配的更好；越靠近第二***子层，生长温度越高，使得第二***子层的晶体生长的更好。
在生长所述第一***子层时，控制反应室H2的通入量由第一流量逐渐提高至第二流量，其中，所述第一流量为4~6slm，所述第二流量为18~22slm；在生长所述第二***子层时，控制反应室H2的通入量在第二流量不变；在生长所述第三***子层时，控制反应室H2的通入量由第二流量逐渐降低至第一流量。由于H2有利于晶体的二维生长，但不利于In组分的并入，这样生长出的第一***子层和第三***子层既能够保证靠近多量子阱结构的部位的高In组分，与第一多量子阱有源层、第二多量子阱有源层的晶格进行更好的匹配，又能够提升第二***子层的晶格质量，进而提升第二***子层522中的空穴浓度，以为多量子阱有源层提供更多的空穴，进一步提升发光二极管的发光效率。
步骤S60，在所述多量子阱有源层上生长一电子阻挡层。
其中，电子阻挡层用于限制电子溢流，由于电子迁移的速率比空穴的迁移速率快，电子阻挡层能有效的阻止掺杂Si的N型GaN层的电子溢流至掺杂Mg的P型GaN层，防止电子在掺杂Mg的P型GaN层与空穴发生非辐射复合，降低多量子阱基发光二极管的发光效率，该电子阻挡层为AlaGa1-aN和InbGa1-bN交替生长的周期性结构。具体地，该电子阻挡层的厚度为20-50nm，生长温度为900～1000℃，生长压力为100～300Torr，Al的组分a为0.05-0.2，In的组分b为0.1-0.5。
步骤S70，在所述电子阻挡层上生长一掺杂Mg的P型GaN层。
其中，掺杂Mg的P型GaN层为多量子阱有源层提供空穴，以使电子与空穴在多量子阱有源层进行辐射复合，以达到发光二极管的发光效应。具体地，掺杂Mg的P型GaN层的厚度为200-300nm，生长温度为800～1000℃，生长压力为100～300Torr，掺杂剂Mg的掺杂浓度为5×1017-1× 1020cm-3。
综上，本发明在多量子阱有源层内部生长第一***子层、第二***子层和第三***子层，由于第二***子层为P型GaN层，该层能够为距离掺杂Mg的P型GaN层较远的多量子阱有源层部分（即第一多量子阱有源层及靠近多量子阱间***层的第二多量子阱有源层部分）提供更多的空穴，以提升第一多量子阱有源层中的空穴浓度，进而提升电子空穴对的复合效率，使二极管的发光效率得到很大提升；
而生长的第一***子层和第三***子层均为BxInyGa1-x-yN层，BxInyGa1-x-yN层中的In组分可以增加多量子阱间***层与第一多量子阱有源层和第二多量子阱有源层的晶格匹配，这样能够减少多量子阱内应力的产生及缺陷的产生，从而减少了非辐射复合，进一步提升了发光二极管的发光效率；且第一***子层及第三***子层中有B原子，较小的B原子很容易填充InGaN材料中的缺陷和位错的位置，从而形成稳定的晶胞结构并减少晶体缺陷，从而更进一步提升发光二极管的发光效率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种GaN基发光二极管的外延结构，包括衬底，其特征在于，还包括在所述衬底上依次外延生长的低温缓冲层、未掺杂的U型GaN层、掺杂Si的N型GaN层、多量子阱有源层、电子阻挡层和掺杂Mg的P型GaN层；
其中，所述多量子阱有源层包括在所述掺杂Si的N型GaN层上依次向上层叠生长的第一多量子阱有源层、多量子阱间***层和第二多量子阱有源层，所述多量子阱间***层包括在所述第一多量子阱有源层上依次向上层叠生长的第一***子层、第二***子层和第三***子层，所述第一***子层为BxInyGa1-x-yN层，所述第二***子层为P型GaN层，所述第三***子层为BxInyGa1-x-yN层，其中，0<x<1，0<y<1。
2.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管的外延结构，其特征在于，BxInyGa1-x-yN层中，0.05≤x≤0.15，0.1≤y≤0.2。
3.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管的外延结构，其特征在于，生长所述第一***子层时，生长温度从第一温度逐渐上升至第二温度，生长所述第二***子层时，生长温度保持在第二温度不变，生长所述第三***子层时，生长温度从第二温度逐渐降低至第一温度，其中，所述第一温度为750～800℃，所述第二温度为900~950℃。
4.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管的外延结构，其特征在于，生长所述第一***子层时，H2的通入量从第一流量逐渐提高至第二流量，生长所述第二***子层时，H2的通入量保持在第二流量不变，生长所述第三***子层时，H2的通入量从第二流量逐渐降低至第一流量。
5.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管的外延结构，其特征在于，所述第二***子层的厚度为3~6nm，掺杂有掺杂剂Mg，且掺杂剂Mg的组分为0.05~0.1，所述第一***子层和所述第三***子层的厚度为1~3nm，所述多量子阱间***层的整个厚度为5~12nm。
6.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管的外延结构，其特征在于，所述第一多量子阱有源层包括第一预设数量的阱垒结构，所述第一预设数量为2~5个，每个所述阱垒结构均包括量子阱层及生长在所述量子阱层上方的量子垒层，所述量子阱层为InGaN层，所述量子垒层为GaN层，其中，第一多量子阱有源层中In组分所占摩尔比例为10％~35％，所述量子阱层的厚度为2-5nm，生长温度为720～800℃，所述量子垒层的厚度为3-15nm，生长温度为830～950℃。
7.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管的外延结构，其特征在于，所述第二多量子阱有源层包括第二预设数量的阱垒结构，所述第二预设数量为2~5个，每个所述阱垒结构均包括量子阱层及生长在所述量子阱层上方的量子垒层，所述量子阱层为InGaN层，所述量子垒层为GaN层，其中，第二多量子阱有源层中In组分所占摩尔比例为10％~35％，所述量子阱层的厚度为2-5nm，生长温度为720～800℃，所述量子垒层的厚度为3-15nm，生长温度为830～950℃。
8.一种GaN基发光二极管的外延结构的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-7任一项所述的GaN基发光二极管的外延结构，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长一低温缓冲层；
在所述低温缓冲层上生长一未掺杂的U型GaN层；
在所述未掺杂的U型GaN层上生长一掺杂Si的N型GaN层；
在所述掺杂Si的N型GaN层上生长一多量子阱有源层；
在所述多量子阱有源层上生长一电子阻挡层；
以及在所述电子阻挡层上生长一掺杂Mg的P型GaN层；
其中，在所述掺杂Si的N型GaN层上生长一多量子阱有源层的步骤包括：
在所述掺杂Si的N型GaN层上依次向上层叠生长第一多量子阱有源层、第一***子层、第二***子层、第三***子层和第二多量子阱有源层，所述第一***子层为BxInyGa1-x-yN层，所述第二***子层为P型GaN层，所述第三***子层为BxInyGa1-x-yN层，其中，0<x<1，0<y<1。
9.根据权利要求8所述的GaN基发光二极管的外延结构的制备方法，其特征在于，在所述掺杂Si的N型GaN层上依次向上层叠生长第一多量子阱有源层、第一***子层、第二***子层、第三***子层和第二多量子阱有源层的步骤中：
在生长所述第一***子层时，控制反应室的温度由第一温度逐渐上升至第二温度，其中，第一温度为750～800℃，第二温度为900~950℃；
在生长所述第二***子层时，控制反应室的温度在第二温度不变；
在生长所述第三***子层时，控制反应室的温度由第二温度逐渐下降至第一温度。
10.根据权利要求8所述的GaN基发光二极管的外延结构的制备方法，其特征在于，在所述掺杂Si的N型GaN层上依次向上层叠生长第一多量子阱有源层、第一***子层、第二***子层、第三***子层和第二多量子阱有源层的步骤中：
在生长所述第一***子层时，控制反应室H2的通入量由第一流量逐渐提高至第二流量；
在生长所述第二***子层时，控制反应室H2的通入量在第二流量不变；
在生长所述第三***子层时，控制反应室H2的通入量由第二流量逐渐降低至第一流量。
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